金 濤 李少華

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基于混合量測技術(shù)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究*

金 濤 李少華

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是能量管理系統(tǒng)（EMS）的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)在線監(jiān)測、分析、控制的基礎(chǔ)，如何快速、高效地對電網(wǎng)的狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測估計(jì)已成為電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問題。該文在分析狀態(tài)估計(jì)理論和廣域監(jiān)測的基礎(chǔ)上，提出了一種利用電力廣域測試系統(tǒng)（WAMS）和監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）混合量測的靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)算法，此算法可以直接利用電流相量量測量，高效快速地進(jìn)行電網(wǎng)信息的狀態(tài)估計(jì)。相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種算法具有良好的估計(jì)性能，并能夠?qū)Σ涣紨?shù)據(jù)進(jìn)行有效的檢測和辨識(shí)。

電力系統(tǒng) 狀態(tài)估計(jì) 廣域檢測 WAMS

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)調(diào)度中心的自動(dòng)化水平也需要逐步由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展?，F(xiàn)代化的調(diào)度系統(tǒng)要求能迅速、準(zhǔn)確而全面地掌握電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測分析系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢，對運(yùn)行中發(fā)生的各種問題提供下一步運(yùn)行的決策，從而保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。狀態(tài)估計(jì)技術(shù)也被稱為濾波，它是利用實(shí)時(shí)量測系統(tǒng)的冗余度來提高數(shù)據(jù)精度，自動(dòng)排除隨機(jī)干擾所引起的錯(cuò)誤信息，估計(jì)或預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，已在電力系統(tǒng)中得到了較多應(yīng)用[2,3]。本文在研究狀態(tài)理論和廣域監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于WAMS/SCADA混合量測的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，這種狀態(tài)估計(jì)量測量既包括由SCADA系統(tǒng)提供的傳統(tǒng)量測，又包括由WAMS系統(tǒng)提供的電壓和電流相量量測，且此狀態(tài)估計(jì)不用特意指定相角參考母線，所有母線相角都是以全球定位系統(tǒng)授時(shí)基準(zhǔn)為參考。相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種算法具有良好的估計(jì)性能，并能夠?qū)Σ涣紨?shù)據(jù)等進(jìn)行有效的檢測和辨識(shí)，具有較好的工程使用價(jià)值。

1 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論

在給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)線、支路參數(shù)和量測系統(tǒng)的條件下，根據(jù)量測值求最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值的計(jì)算方法稱為狀態(tài)估計(jì)算法，它是狀態(tài)估計(jì)程序的核心部分，因此狀態(tài)估計(jì)算法的選擇對整個(gè)狀態(tài)估計(jì)程序的性能有很大的影響[4]。定義電力系統(tǒng)的量測方程為：

式中為維量測矢量；為維量測函數(shù)向量；為維量測誤差向量，假設(shè)其服從均值為0、方差為的正態(tài)分布。之前狀態(tài)估計(jì)技術(shù)的量測量主要來自于SCADA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，圖1是常見的兩端口電力網(wǎng)絡(luò)分支模型。

根據(jù)基爾霍夫定律可得

待求的狀態(tài)量是相角和母線電壓

2 基于SCADA和WAMS混合量測的模型建立

相量測量單元PMU是能夠利用全球定位系統(tǒng)GPS的授時(shí)功能，給以相量形式測量的各節(jié)點(diǎn)或者線路的各種狀態(tài)量打上時(shí)標(biāo)的一種測量裝置[5]。廣域測量系統(tǒng)WAMS就是以PMU為低層測量單元，經(jīng)通信系統(tǒng)將測量值實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后對電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測及實(shí)現(xiàn)其他高級(jí)功能的系統(tǒng)。圖2為本課題組設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)WAMS廣域監(jiān)測的原理圖。

圖2 電力系統(tǒng)WAMS廣域監(jiān)測原理圖

為得出最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)，應(yīng)當(dāng)使目標(biāo)函數(shù)的值最小，迭代公式給出如下：

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證算法的效果和精度，我們進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。圖3是IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，它有14個(gè)bus, 20條支路。在該IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，量測量既包括傳統(tǒng)潮流量測，又包括相角量測。每臺(tái)PMU都可以測得所安裝母線處的電壓相量和所有由此母線流出的電流相量。

為了測試本文提出的狀態(tài)估計(jì)算法，共對如表1所示4種不同可觀測算例進(jìn)行了仿真測試。算例①僅包括傳統(tǒng)量測量。算例②包括傳統(tǒng)量測量和3個(gè)PMU的量測（以下支路功率量測：4-5、4-7、4-9、7-9、10-11、12-13、13-14；母線3、5、13、14處的注入功率量測，以及母線2、7、9處PMU量測量）。算例③包括傳統(tǒng)量測量和4個(gè)PMU的量測（以下支路功率量測：4-9、10-11、12-13；母線3、5、14處的注入功率量測，以及母線2、6、7、9處PMU量測量）。算例④包括傳統(tǒng)量測量和5個(gè)PMU的量測（支路10-11的功率量測；母線5處的注入功率量測，以及母線2、6、7、9、13處PMU量測量）。

圖3 IEEE-14標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接線圖和量測配置

在分析時(shí)，相角量測的真值和標(biāo)準(zhǔn)差單位為度，其它量測量單位為p.u.，收斂容差設(shè)為10-4。仿真試驗(yàn)時(shí)，由PMU測得的相量量測量比傳統(tǒng)量測精度要高，幅值誤差為0.1%~1%，相角誤差為0.01°~0.05°，假定傳統(tǒng)量測量的誤差為1%~3%。

表1 各算例量測配置

圖4和圖5分別為支路電流相量利用極坐標(biāo)形式時(shí)，電壓相角和幅值估計(jì)值相對于真實(shí)值的估計(jì)誤差。從圖中可以看出，僅含有傳統(tǒng)量測量的狀態(tài)估計(jì)的估計(jì)結(jié)果最差。加入PMU量測量使?fàn)顟B(tài)估計(jì)性能有很大的提高。而且，PMU數(shù)量越多，估計(jì)性能也越好。

圖4 電流相量相角估計(jì)誤差

圖5 電流相量幅值估計(jì)誤差

表2 算例③的不良數(shù)據(jù)檢測分析

4 結(jié)語

本文提出了一種基于WAMS/SCADA混合量測的狀態(tài)估計(jì)算法，并基于此利用傳統(tǒng)量測和電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測WAMS量測量來對電網(wǎng)的狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測估計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，這種算法具有良好估計(jì)性能，有效解決了狀態(tài)估計(jì)迭代時(shí)產(chǎn)生的數(shù)值不穩(wěn)定問題，并能高效完成不良數(shù)據(jù)的檢測和辨識(shí)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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歐盟FP7國際合作基金(909880)資助項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金(50907011)資助項(xiàng)目；福建省自然科學(xué)基金(2010J05109)資助項(xiàng)目；教育部留學(xué)歸國人員基金資助項(xiàng)目(LXKQ1001)；福建省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J06012)。